Nous proposons une nouvelle méthodologie de simulation symbolique, permettant la vérification des circuits séquentiels décrits à des niveaux d'abstraction différents. Nous avons utilisé un outil automatique de vérification formelle afin de montrer l'équivalence entre une description structurelle précisant les détails de réalisation et sa spécification comportementale. Des descriptions au niveau portes logiques issues d'un outil de synthèse commercial ont été comparées à des spécifications comportementales et structurelles au niveau transfert des registres. Cependant, il n'est pas nécessaire que la spécification soit synthésable ni qu'elle soit équivalente à la réalisation à chaque cycle d'horloge. Ultérieurement cette méthode pourra aussi s'appliquer à la vérification des propriétés. La simulation symbolique est exécutée en suivant des chemins dont l'outil garantit la cohérence logique. Nous obtenons un bon compromis entre précision et vitesse en détectant des équivalences grâce à un ensemble extensible de techniques. Nous utilisons des diagrammes de décisions binaires (OBDD) pour détecter les équivalences dans certains cas particuliers. Nous évitons l'explosion combinatoire en utilisant les résultats des autres techniques de détection et en ne représentant qu'une petite partie du problème à vérifier par des diagrammes de décisions. La coopération de toutes les techniques, et la génération de traces permettant la correction d'erreurs, ont été rendues possibles par le fait que nous associons des relations à des classes d'équivalence, au lieu de manipuler des expressions symboliques.

Les technologies de silicium s'approchent de leurs limites physiques en termes de réduction des tailles des transistors, et de la tension d'alimentation, d'augmentation de la vitesse de fonctionnement et du nombre de dispositifs intégrés dans une puce. En s'approchant de ces limites, les circuits deviennent de plus en plus sensibles aux phénomènes parasites diverses, d'origine interne ou externe au circuit, provoquant une augmentation très importante du taux d'erreurs du fonctionnement. Le manuscrit présente un résumé de mes travaux de recherche, menés en collaboration avec les doctorants que jái co-encadrés ou que j'encadre en ce moment et avec les nombreux stagiaires qui se sont succédés au laboratoire TIMA, et dans un premier temps concerne les techniques de tolérance aux fautes permanentes et transitoires destinées aux nouvelles technologies de silicium (ciblant les technologies en dessous des 32nm) ainsi qu'aux futures technologies de remplacement du silicium, les nanotechnologies. Une partie de travaux de recherche s'articule autour de la prédiction des taux de défaillances des systèmes intégrés complexes. Des méthodologies de simulation de fautes concernant tous les niveaux d'abstraction sont présentées, tant pour les circuits numériques que pour les circuits analogiques, ainsi que la mise en place d'outils de simulation automatique. In fine, une dernière partie du manuscrit présente des activités de recherche beaucoup plus récentes, articulées autour de la modélisation et de la simulation des structures simples et complexes à base de nanotubes de carbone en vue d'une analyse prédictive de fonctionnement sans défaillances. Au passage des systèmes complexes et les outils de CAO pour les nanotechnologies sont aussi présentés.

La micro-électronique est considérée comme une technologie révolutionnaire compte-tenu de la dynamique qu'elle a insufflée à l'économie mondiale depuis l'invention du circuit intégré dans les années 50. Jusqu'à récemment, les défis technologiques relevés ont consisté à conserver une ligne directrice de développement fondée sur une simple réduction des dimensions du transistor MOS, faisant basculer la micro-électronique dans l'ère de la nanoélectronique. Industriels et chercheurs tentent aujourd'hui de repousser les limites physiques imposées par la réduction d'échelle en agissant sur différents leviers technologiques, afin d'améliorer les performances des dispositifs sans avoir à en réduire les dimensions. Les travaux présentés résument mon activité de recherche menée au CEA-Léti depuis 2001, dans le contexte général du développement des technologies CMOS pour les noeuds avancés (i.e. le 65nm pour le début des années 2000, le 14nm et en deçà à l'heure actuelle), avec un focus plus particuliers sur l'étude du transport dans le canal des transistors MOS. Trois voies principales ont été explorées, et seront analysées et commentées : * les nouveaux matériaux de grille, avec l'introduction des oxydes à forte permittivité (high-κ) et des grilles métalliques. * l'ingénierie de la mobilité, avec entre autres l'utilisation de matériaux à plus forte mobilité comme les alliages SiGe, ou encore l'exploitation des contraintes. * les nouvelles architectures de transistor, avec la réalisation de films minces et de transistors multi-grilles ou à grille enrobante.

Lors du développement d'un nouvel avion, la phase précédant l'obtention du certificat de navigabilité est basée sur de nombreux essais au sol ou en vol. L'une des formes d'essai les plus délicates est la mesure de la pression de l'air autour de l'aile. Ces mesures permettent à la fois d'évaluer les deux composantes fondamentales de l'aérodynamisme que sont la portance et la trainée, de valider les résultats de simulation, et d'améliorer les données d'entrée des souffleries virtuelles pour les futurs développements. Dans le domaine spatial, le lancement est l'une des phases les plus critiques pour les systèmes. En effet, les structures doivent faire face à un stress mécanique et à des vibrations importantes qui ne doivent endommager ni le satellite ni les instruments embarqués. Des essais sol particulièrement rigoureux sont donc réalisés préalablement au lancement afin de vérifier que la charge utile ne sera pas endommagée. Des milliers de capteurs de pression ou de jauges de contrainte sont utilisés par les industriels du secteur pour ce type d'essais. Tous ces éléments sont aujourd'hui connectés entre eux par des fils. La première difficulté liée à cette forme d'installation est le poids supplémentaire imposé à la structure. Ce poids représentant une préoccupation importante en aéronautique, il est très délicat d'alourdir l'avion en ajoutant, le temps de l'essai, une quantité importante de câbles sur l'aile dans le seul but de connecter des capteurs entre eux. D'autres contraintes sont également associées au déploiement de ces réseaux de capteurs. La mise en place ces systèmes de mesure filaire engendre en effet un cout important, tant en raison du prix des câbles que de la très longue immobilisation de l'appareil nécessaire à l'installation du système. Cette dernière contrainte financière, très lourde, est de plus en plus difficile à supporter pour les industriels. Le remplacement des réseaux de mesure classiques par des réseaux de capteurs sans fil est une solution évidente aux différents problèmes soulevés. Cela permettrait également d'augmenter le nombre de points de mesure. Malgré le grand intérêt porté à la question des réseaux de capteur sans fil, les verrous technologiques sont encore très nombreux et il n'existe aujourd'hui aucun protocole permettant de répondre aux attentes et besoins des professionnels de l'aéronautique. Les protocoles classiques comme ZigBee ou Bluetooth ne permettent en effet d'atteindre, ni le débit nécessaire (plus de 100Mbits/s) ni le nombre de nœuds du réseau (plus de 800). Les travaux présentés dans cette thèse ont ainsi vocation à répondre aux besoins d'un canal de communication très haut débit, basse consommation, à faible puissance d'émission, fiable et autorisant un grand nombre de nœuds. Des mesures en conditions réelles effectuées à l'aide de circuits commerciaux reposant sur le protocole MB-OFDM/Wimedia, le standard le plus approchant du besoin exprimé, ont servi à la définition des bases de l'étude et ont permis de choisir des pistes de développement. Les mesures effectuées ayant démontré la spécificité de l'environnement de propagation, et n'ayant pas permis de définir un modèle de propagation suffisamment fiable, il est apparu nécessaire de recourir à un flot de conception utilisant des outils de synthèse de code automatique. Ce mode de développement, relativement original dans un contexte de recherche, a permis d'identifier précisément les besoins matériels nécessaires à la conception du démonstrateur, et de réduire considérablement le délai entre le choix des algorithmes et leurs tests en conditions réelles. La couche physique développée est basée sur un système OFDM ultra large bande permettant d'atteindre un débit de plus de 150 Mbits/s. Un démonstrateur parfaitement fonctionnel, implémenté sur FPGA et composé de quatre nœuds communicants a été réalisé et a permis de valider la couche physique. Enfin sont présentées des pistes pour le développement d'un ASIC numérique permettant d'atteindre l'objectif de faible consommation.

Dans le contexte des Sciences de l'Information et de la Technologie, un des challenges est de créer des systèmes de plus en plus petits embarquant de plus en plus d'intelligence au niveau matériel et logiciel avec des architectures communicantes de plus en plus complexes. Ceci nécessite des méthodologies robustes de conception afin de réduire le cycle de développement et la phase de prototypage. Ainsi, la conception et l'optimisation de la couche physique de communication est primordiale. La complexité de ces systèmes rend difficile leur optimisation notamment à cause de l'explosion du nombre des paramètres inconnus. Les méthodes et outils développés ces dernières années seront à terme inadéquats pour traiter les problèmes qui nous attendent. Par exemple, la propagation des ondes dans une cabine d'avion à partir des capteurs ou même d'une antenne, vers le poste de pilotage est grandement affectée par la présence de la structure métallique des sièges à l'intérieur de la cabine, voir les passagers. Il faut, donc, absolument prendre en compte cette perturbation pour prédire correctement le bilan de puissance entre l'antenne et un possible récepteur. Ces travaux de recherche portent sur les aspects théoriques et de mise en oeuvre pratique afin de proposer des outils informatiques pour le calcul rigoureux de la réflexion des champs électromagnétiques à l'intérieur de très grandes structures . Ce calcul implique la solution numérique de très grands systèmes inaccessibles par des ressources traditionnelles. La solution sera basée sur une grille de calcul et un supercalculateur. La modélisation électromagnétique des structures surdimensionnées par plusieurs méthodes numériques utilisant des nouvelles ressources informatiques, hardware et software, pour dérouler des calculs performants, représente le but de ce travail. La modélisation numérique est basée sur une approche hybride qui combine la méthode Transmission-Line Matrix (TLM) et l'approche modale. La TLM est appliquée aux volumes homogènes, tandis que l'approche modale est utilisée pour décrire les structures planaires complexes. Afin d'accélérer la simulation, une implémentation parallèle de l'algorithme TLM dans le contexte du paradigme de calcul distribué est proposé. Le sous-domaine de la structure qui est discrétisé avec la TLM est divisé en plusieurs parties appelées tâches, chacune étant calculée en parallèle par des processeurs différents. Pour accomplir le travail, les tâches communiquent entre elles au cours de la simulation par une librairie d'échange de messages. Une extension de l'approche modale avec plusieurs modes différents a été développée par l'augmentation de la complexité des structures planaires. Les résultats démontrent les avantages de la grille de calcul combinée avec l'approche hybride pour résoudre des grandes structures électriques, en faisant correspondre la taille du problème avec le nombre de ressources de calcul utilisées. L'étude met en évidence le rôle du schéma de parallélisation, cluster versus grille, par rapport à la taille du problème et à sa répartition. En outre, un modèle de prédiction a été développé pour déterminer les performances du calcul sur la grille, basé sur une approche hybride qui combine une prédiction issue d'un historique d'expériences avec une prédiction dérivée du profil de l'application. Les valeurs prédites sont en bon accord avec les valeurs mesurées. L'analyse des performances de simulation a permis d'extraire des règles pratiques pour l'estimation des ressources nécessaires pour un problème donné. En utilisant tous ces outils, la propagation du champ électromagnétique à l'intérieur d'une structure surdimensionnée complexe, telle qu'une cabine d'avion, a été effectuée sur la grille et également sur le supercalculateur. Les avantages et les inconvénients des deux environnements sont discutés.

L'augmentation de la densité de puissance des convertisseurs déénergie électrique nécessite une gestion thermique toujours plus performante. La thermique devient même l'élément dimensionnant de ces convertisseurs et est au centre des préoccupations des concepteurs. Le diamant présente des propriétés physico-chimiques exceptionnelles particulièrement adaptées à la gestion thermique des composants semi-conducteurs de l'électronique de puissance. C'est en effet le meilleur matériau isolant et conducteur thermique connu à ce jour. La possibilité de réaliser du diamant polycristallin de manière reproductible par synthèse CVD ouvre aujourd'hui à ce matériau un grand champ d'applications industrielles. Nous avons étudié les potentialités d'applications au domaine particulier de l'électronique de puissance. Nous avons tout d'abord développé une plateforme de simulation COMSOL qui nous permette d'évaluer différentes structures pour optimiser le système de refroidissement des composants d'électronique de puissance. Nous avons alors étudié deux solutions, l'utilisation d'un substrat diamant épais pour reporter les composants ou le dépôt direct d'une fine couche de passivation sur les composants en fin de fabrication. Nous avons ainsi développé une structure à substrat diamant et micropoteaux en cuivre qui permet d'extraire jusqu'à 800 W/cm² sous le composant pour un échauffement de 120°C. Cette structure a été réalisée technologiquement pour valider toute la démarche de simulation et conception. Ce prototype propose des performances particulièrement intéressantes pour l'intégration des convertisseurs d'électronique de puissance à haute densité de puissance. Nous avons également étudié la passivation des composants avec du diamant CVD en lieu et place du SiO2. L'intérêt d'une telle passivation est démontré en simulation et les différentes étapes de la réalisation technologique sont étudiées. Cette dernière partie met en évidence des difficultés qu'il faudra lever si l'on souhaite utiliser le diamant comme couche de passivation.

Le domaine de la microélectronique connaît aujourd'hui un tournant technologique majeur avec l'essor de structures nanométriques, les nanofils semiconducteurs. Ces nanofils peuvent être synthétisés "atome par atome" par une approche dite ascendante (ou Bottom-Up) qui présente un fort potentiel industriel grâce notamment à sa simplicité de mise en oeuvre et au faible coût engendré si l'on compare à des procédés standards de structuration de la matière par voie descendante (ou Top-Down). Dans cette optique, une question d'importance se pose : comment manipuler ces nanostructures et les arranger de façon à créer un dispositif fonctionnel ? Nous avons développé dans ces travaux de thèse un procédé inédit d'adressage à grande échelle couplant le phénomène d'attraction dû à la diélectrophorèse et l'assemblage capillaire. Les nanofils vont en effet pouvoir se polariser s'ils sont soumis à un champ électrique, être attirés dans les zones de champ fort prédéfinies, et enfin l'assemblage capillaire nous assure un alignement supplémentaire ainsi qu'un contrôle précis du séchage du liquide dans lequel sont suspendus les nanofils. Cette approche est d'autant plus intéressante qu'elle s'adapte à différents matériaux, comme le silicium ou l'arséniure d'indium, candidats prometteurs pour l'électronique de demain. Enfin, nous mettrons à profit la méthode d'alignement développée pour intégrer des nanofils dans des dispositifs fonctionnels. Nous analysons dans un premier temps le problème de l'adressage électrique des nanofils qui diffère de celui du matériau massif. Nous présentons une méthode permettant de différencier l'influence de la résistance de contact de celle du nanofil lui- même. Ces études matériaux sont capitales pour permettre l'intégration à grande échelle des nanofils dans des dispositifs microélectroniques. S'ensuit la première démonstration de l'implémentation de transistors à nanofils. La dernière application démontrée exploite le grand rapport surface sur volume des nanofils pour mettre en oeuvre des capteurs, tout d'abord de luminosité, puis d'humidité et enfin de gaz. Les nanofils semiconducteurs présentent en effet la potentialité d'une forte sensibilité en détection, car la déplétion ou l'accumulation des porteurs de charge causées par les changements d'états de surface peut affecter les propriétés électroniques de ces nanofils. Ces protoypes de dispositifs fonctionnels sont une synthèse des travaux menés au cours de ces travaux de thèse et illustrent toutes les possibilités offertes par cette méthode d'intégration de nanofils semiconducteurs.

La microfluidique est un domaine très vaste qui étudie les comportements de fluides à l'échelle micrométrique. Grâce aux progrès de la microfabrication, elle suscite un nombre croissant d'applications en biologie ou chimie, et même très récemment en optique. En effet, son utilisation pour réaliser des cristaux photoniques est attractive par rapport aux technologies standards : elle permet une fabrication collective avec des interfaces très lisses. Dans cette perspective, cette thèse propose d'utiliser la microfluidique diphasique pour la fabrication de réseaux stables de microbulles, et pour intégrer de façon simple des fonctionnalités optiques réelles. Nous présentons d'abord la formation de réseaux hexagonaux de microbulles monodisperses de période dans la gamme 5-100 µm, contrôlée par la géométrie et les conditions d'écoulement. La qualité de ces cristaux a été révélée par imagerie de diffraction. Un photopolymère, utilisé comme liquide porteur, a permis l'obtention de structures stables sur plusieurs mois. Nous avons développé une technologie verre-verre qui permet la fabrication de canaux adaptés aux applications optiques : transparents, rigides et chimiquement résistants. Pour démontrer les potentialités de nos systèmes, nous avons réalisé des cristaux de bulles incluant des défauts contrôlés (lacune d'une bulle ou d'une ligne de bulles), éléments clés pour la conception de guides d'ondes ou de résonateurs. Nous utilisons des plots qui excluent les bulles de zones choisies, par compétition entre tension interfaciale et forces hydrodynamiques. Nous avons développé et validé expérimentalement un modèle qui prédit l'efficacité de cette méthode. La génération des microbulles sur puce est prometteuse pour la photonique : elle permet l'auto-organisation des structures avec une rugosité extrêmement faible. L'obtention de périodes comparables à la longueur d'onde est encore nécessaire pour la réalisation de fonctions basées sur les cristaux photoniques. Notre app roche doit permettre cette réduction de taille, car les limites de diffraction inhérentes à la photolithographie interviennent seulement pour la fabrication des canaux et non lors de la formation des bulles. Ce travail constitue donc une nouvelle approche, optofluidique, à la réalisation d'un guide d'onde, un filtre ou un résonateur optique.

Pas de résumés en français

Exploiting wireless communications has had an unstoppable growth in the last years. In this attracting scenario, the Ultra Wide Band (UWB) market represents one of the main interesting targets for semiconductor industry. The availability of newer and larger bandwidth in the frequency spectrum (60 GHz and 77 GHz) opens to the possibility of higher bitrates communications. The technology cost reduction is made possible by the use of silicon as semiconductor substrate in the place of classical heterojunction materials. The rapid reduction of the technological node (seen as the thinning of the gate channel) in the new generation of CMOS transistors allows obtaining faster transistors that become usable on V band applications. Therefore, the digital origin of the technology yields two additional advantages. First of all, the facilities for the circuits' production already exist as well as the recipe to create the devices on the substrate. The only additive cost remains the characterization of the technology at mm-wave frequencies. The second fundamental advantage is the possibility to have a complete integration of the system in the same dies with a substantial reduction of packaging and interconnection costs. The objectives of this thesis is the design and the modeling of a complete 60 GHz UWB transceiver starting from the characterization and the optimization of the single subcomponents. The main feature that constitutes the principal constraint of the entire work of this thesis is the high efficiency required for the transceiver front - end. The energy safe capability, in fact, represents the strength point of this project, being the system conceived for wireless sensors network applications. Passive components as inductors and RF lines, have been the first elements that have been designed and characterized. Then the structure of CMOS transistor have been analyzed and characterized in order to obtain performances as higher as possible, in particular for wide transistors. The knowledge acquired during this first part has allowed the developed of high quality factor inductors and high performance transistors (used in the design of upconversion mixer). In addition, the optimum correspondence between simulations and measurements combined with the gained experience on the RF electromagnetic simulations have been exploited to create a series of innovative (when possible) passive structures as baluns, power splitters and power couplers. The second significant part of this work has been consecrated to the modeling of a series of high performance active circuits in the transmitter and the receiver blocks (upconversion mixer, voltage controlled oscillator ad a series of differential and single-ended buffers). The behavior of these structures has been accurately investigated and optimized in order to be later efficiently integrated in the complete transceiver system. The systems are finally integrated in two different dies, transmitter and receiver blocks, and the 60 GHz link has been yield by a demostrator set-up.